浅谈GPS-RTK技术在垂直救援中的应用

闫彩虹 段鹏飞

矿山事故发生后,抢救被困矿工是首要任务,目前普遍还是沿用从坑口向抢险点推进的救援办法。这种方法用时长、困难大、风险高。随着矿山救援装备和GPS-RTK测绘技术的快速发展,使得垂直救援工作越来越具有可操作性。在王家岭矿“3◦28”事故抢险救援中,山西省煤炭地质局采用GPS-RTK技术对1号、2号钻井进行准确定位,其中2号钻井真正起到了信息通道、通风通道和生命通道的重要作用。下面是对GPS-RTK技术在垂直救援中使用的心得及体会,供大家参考。

1 GPS-RTK技术和测量原理

谈起GPS-RTK技术 ,先介绍一下GPS技术 。GPS(Global Positioning System)即“全球定位系统”,20世纪 70年代在美国开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于 1994年全面建成。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统,具有全能性(陆地、海洋、航空和航天)、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能,能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。

GPS由空间部分、地面支撑系统及用户设备三个部分组成。空间部分即进行定位的卫星,包括21颗工作卫星和3颗备用卫星。地面支撑系统由主控站、注入站和监测站构成。用户设备则是用来接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息。采用多台静态GPS接收机对已知点、未知点进行同步连续观测,通过GPS平差软件对数据进行解算,由已知点解算出未知点坐标。

RTK(Real Time Kinematic,简称 RTK)即“实时动态测量技术”,是以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术,是GPS测量技术发展中的一个新突破。RTK技术系统用户主要包括三个部分:基准站、流动站和数据链。在RTK作业模式下,基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据,还要采集GPS观测数据,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果,历时不到1 s。流动站可处于静止状态,也可处于运动状态;可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业,也可在动态条件下直接开机,并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后,只要能保持4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形,流动站就可随时给出厘米级定位结果。

因为GPS-RTK测量技术能够实时地提供测量点在指定坐标系中的三维坐标(x,y,z),并能够达到厘米级的定位精度。这就为GPS-RTK测量工作的可靠性和高效率提供了保障,这对GPSRTK测量技术的发展和普及,具有重要的现实意义。

2 垂直救援及钻孔定位

所谓垂直救援,是指在矿山抢险中,迅速锁定“井下被困职工”的具体位置,利用先进的钻井技术,从地面向具体定位点快速钻井,通过井筒输送氧气、给养品、建立联络通讯等,甚至直接将被困职工从危险区救出地面。由于采用垂直救援技术使得救援时间大大缩短,可以有效保证被困职工生命安全。矿山事故发生后,采用井下水平救援与垂直救援相结合的办法,可以确保救援工作及时、有效地展开。

同样地,在垂直救援中,钻孔位置的选择也非常重要。根据灾情性质、救援重点,参考采掘工程平面图、井上下实测对照图以及相关地质资料,合理设计钻孔点位,并从相应图件中解析出井下钻孔坐标,从而返算出地面上对应坐标,同时通过实地测量再对解析坐标进行校核,以保证钻孔坐标准确无误。在王家岭矿“3◦28”事故抢险救援中,专家组在分析井下巷道资料的基础上,经过实地踏勘,最终确定了两个钻孔位置:其中1号孔为漏水孔,在积水巷道最低处对应的地面上往下垂直打井,通过钻井,使巷道内的积水自动流入到距巷道80 m以下的奥陶系含水层内。2号孔为救生孔,从辅助运输巷内距巷道北头1 400 m处对应的地面上往下垂直钻井,起通信、通风、给养投送作用。

3 采用GPS-RTK技术对钻孔坐标进行放样测量

为方便表述,我们把救援范围称为测区,首先在测区范围内收集可以利用的控制点,如近井点等。如果有三个以上的控制点保存完好,经检核后,可以直接使用。如果测区内没有足够的控制点,可以根据地形地貌,在测区内合理布设E级GPS点,然后采用4台以上的静态GPS接收机同测区外的高精度坐标点进行同步联测,进而用GPS平差软件对接收数据进行解算,从而求出测区内新布设的E级GPS点的坐标。在测区内有足够的控制点后,首先,将基准站架设在一个已知坐标的控制点上,以另外两个已知坐标的控制点为校正点。校正完成后,将电子手簿里存储好的钻孔坐标调出,手持移动站、手簿及对中杆对钻孔坐标进行放样,也就是把空间坐标落实到具体位置上。在放样过程中,考虑到测量的精度要求,要保持PDOP值在2.5以下。GPS手簿界面会实时提示测量员离钻孔点位的距离及方位,从而引导测量员对钻孔坐标进行精确定位。王家岭矿“3◦28”事故抢险救援中,救援人员在分析井下巷道资料的基础上,采用GPS-RTK测量技术对钻孔进行精确定位,并用传统测量方法进行校验,使定位误差保持在±10 cm之内,完全满足了钻井施工的精度要求。

4 GPS-RTK技术在垂直救援测绘中的优势

首先,采用GPS-RTK技术可以测绘大比例尺地形图。在抢险救援过程中,需要现势性强的大比例尺地形图供救援指挥部进行决策指挥。由于抢险救援工作事态严重,时间紧迫,必须在短时间内高精度地完成数据采集工作。采用GPS-RTK技术测图时,仅需一人背着GPS移动站在要测的地形地貌碎部点上待一两秒钟,同时输入特征编码,在手簿界面点位精度的提示下,迅速完成该点的数据采集工作。把一个区域测完后回到室内,由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图,这样就大大提高了工作效率。

第二,对钻孔点位进行放样测量。在垂直救援过程中布设钻井孔位是一项重要的工作。根据灾情性质、救援重点,钻孔有灭火、漏水、堵水、通风、通讯、给养投送等作用,因而在短时间内精确定位钻孔位置,对垂直救援的顺利进行起重要支撑作用。在采用GPS-RTK技术放样时,先把设计好的钻孔坐标输入到电子手簿中,然后手持移动站、手簿及对中杆对钻孔坐标进行放样测量,手簿界面会实时提示测量员离钻孔点的方位及距离,从而引导测量员对钻孔坐标进行精确定位。这样操作既迅速又方便,完全满足了垂直救援对测绘工作高效率、高精度的要求。

5 结语

垂直救援技术是近几年来兴起的矿山事故救灾新技术,在我国、美国、澳大利亚等国家都有成功案例。希望更多的专家学者对矿山抢险垂直救援技术以及测绘技术在垂直救援中的应用进行研究和探讨,以促进垂直救援技术的发展和进步。

[1] 徐绍铨.GPS测量原理及应用[M].武汉:武汉大学出版社,2008.

[2] 王利锋.GPS-RTK技术在界线点放样工程中的应用[J].山西建筑,2009,35(3):357-359.